JP7014826B2 - Reactor core - Google Patents
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Description
本発明は、核エネルギーの分野に関し、炉心の外側で熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する原子炉（特に熱光起電原子炉）で使用される。 The present invention relates to the field of nuclear energy and is used in nuclear reactors (particularly thermoelectromagnetic reactors) that directly convert thermal energy into electrical energy outside the core.
ヒートパイプを備えた炉心（特許文献１に記載の発明「ヒートパイプによって冷却されるモバイル高速炉」、2016年1月22日公開）が知られている。 A core equipped with a heat pipe (invention "mobile fast reactor cooled by a heat pipe" described in Patent Document 1, published on January 22, 2016) is known.
この出願による炉心には、金属ブロックに囲まれたヒートパイプおよび燃料要素（fuel element）が含まれている。燃料要素には、核燃料、上部および下部の中性子反射板、反射板の上下にあるガスキャビティが含まれる。 The core according to this application includes a heat pipe and a fuel element surrounded by metal blocks. Fuel elements include nuclear fuel, upper and lower neutron reflectors, and gas cavities above and below the reflectors.
ヒートパイプには、蒸発する冷却材および芯（wick）で満たされた密閉ハウジングが含まれている。 The heat pipe contains a sealed housing filled with evaporating coolant and a wick.
ヒートパイプは、炉心外側の熱をガス冷却材（ガスタービンの作動体（空気またはСО2））に伝達するように配置される。タービン入口での作動体（空気）の最高温度は、約１１００Ｋである。 The heat pipe is arranged so as to transfer the heat outside the core to the gas cooling material (gas turbine actuator (air or СО 2 )). The maximum temperature of the working body (air) at the turbine inlet is about 1100K.
上記の技術的な解決策の欠点は、炉心出口での冷却材の温度が比較的に低いことであり、これにより熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができない。 The drawback of the above technical solution is that the temperature of the coolant at the core outlet is relatively low, which makes it impossible to directly convert thermal energy into electrical energy.
本発明における技術的解決策に最も近い技術は、非特許文献１に記載の高速炉ＳＡＩＲＳである。 The technique closest to the technical solution in the present invention is the fast reactor SAIRS described in Non-Patent Document 1.
この高速炉では、炉心は１本のヒートパイプおよび３つの燃料要素で構成されるモジュールを６０個含む。モジュールは互いに近くに配置され、三角形のパッケージを形成する。 In this fast reactor, the core contains 60 modules consisting of one heat pipe and three fuel elements. The modules are placed close to each other to form a triangular package.
燃料要素のカバーは、熱伝導によりヒートパイプに熱を伝達するレニウム三面体インサートを介してヒートパイプの本体にはんだ付けされる。各燃料要素の一端にはガスキャビティがある。濃縮度８３．７％の窒化ウランペレットが燃料として使用される。 The cover of the fuel element is soldered to the body of the heat pipe via a renium trihedral insert that transfers heat to the heat pipe by heat conduction. There is a gas cavity at one end of each fuel element. Uranium nitride pellets with an enrichment of 83.7% are used as fuel.
この技術的な解決策の欠点は、炉心出口での冷却材の温度が比較的に低い（１２００Ｋ）ため、熱電、熱電子、熱光起電の電力変換器を効率的に使用できないことである。 The disadvantage of this technical solution is that the coolant temperature at the core outlet is relatively low (1200K), which makes it impossible to use thermoelectric, thermoelectron and thermoelectromotive power converters efficiently. ..
本発明の目的は、上記欠点を解消すること、つまり、炉心出口で冷却材温度を上昇させることである。 An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks, that is, to raise the coolant temperature at the core outlet.
モジュール、燃料要素、ヒートパイプを含む原子炉の炉心における上記欠点を解消するため、次の構成が提案される。 In order to eliminate the above-mentioned drawbacks in the core of the reactor including modules, fuel elements and heat pipes, the following configurations are proposed.
原子炉の炉心であって、１つのヒートパイプと少なくとも１つの燃料要素とを含むモジュールを少なくとも１つ備え、前記ヒートパイプは、ヒートパイプケーシングと、芯と、冷却材とを含み、前記燃料要素は、核燃料と容器とを含み、前記炉心は、内部に前記少なくとも１つのモジュールが配置されるための少なくとも１つの穴を有する固体中性子減速材固体を炉心ケーシング内に配してなり、前記ヒートパイプがモジュールケーシング内に配され、燃料要素がヒートパイプの蒸発領域の周囲に、ヒートパイプケーシングと熱接触するような状態で配置されて、容器内に収納されており、前記モジュールケーシングと前記固体中性子減速材との間の隙間は、液体中性子減速材で満たされている。 The core of a nuclear reactor, comprising at least one module containing one heat pipe and at least one fuel element, said heat pipe comprising a heat pipe casing, a core, and a coolant, said fuel element. Consists of a nuclear fuel and a container, the core comprising a solid neutron reducer solid having at least one hole for arranging the at least one module inside the heat pipe. Is arranged in the module casing, and the fuel element is arranged around the evaporation region of the heat pipe so as to be in thermal contact with the heat pipe casing and is housed in the container, and the module casing and the solid neutrons are contained. The gap between the reducing material and the reducing material is filled with the liquid neutron reducing material.
また、特定の態様として、次のような構成が提案される。 Further, as a specific aspect, the following configuration is proposed.
第１に、前記モジュールケーシング内が、真空にされていること。 First, the inside of the module casing is evacuated.
第２に、前記モジュールケーシング内が、熱伝導率の低い不活性ガス、例えば、キセノンで満たされていること。 Second, the inside of the module casing is filled with an inert gas having a low thermal conductivity, for example, xenon.
第３に、水が、液体中性子減速材として使用されること。 Third, water is used as a liquid neutron moderator.
第４に、アルコール液など、少なくともマイナス４０℃までは凍結しない液体が、液体中性子減速材として使用されること。 Fourth, a liquid that does not freeze up to at least -40 ° C, such as an alcohol solution, is used as a liquid neutron moderator.
第５に、例えば、リチウム、カルシウム、鉛、銀などの高沸点で低融点の金属が、前記ヒートパイプの冷却材として使用されること。 Fifth, for example, a metal having a high boiling point and a low melting point such as lithium, calcium, lead, and silver is used as a cooling material for the heat pipe.
本発明によれば、原子力発電所の効率が向上し、特に熱光起電エネルギー変換を備えた原子炉の炉心の使用範囲の拡大に寄与する。 According to the present invention, the efficiency of a nuclear power plant is improved, and in particular, it contributes to the expansion of the range of use of the core of a nuclear reactor equipped with thermoelectric electromotive energy conversion.
以下、図面に基づき本発明の実施の形態に係る原子炉の炉心について説明する。 Hereinafter, the core of the nuclear reactor according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
なお、各図において、次の参照番号が示されている。 In each figure, the following reference numbers are shown.
１-モジュールハウジング、２-ヒートパイプ本体、３-燃料要素の容器（ｃａｎ）、４-固体中性子減速材、５-断熱材、６-ヒートパイプの芯、７-固体中性子減速材のシェル（ｓｈｅｌｌ）、８-核燃料、である。 1-module housing, 2-heat pipe body, 3-fuel element container (can), 4-solid neutron moderator, 5-insulation material, 6-heat pipe core, 7-solid neutron moderator shell. ), 8-Nuclear fuel.
本発明の概要は次の通りである。 The outline of the present invention is as follows.
原子炉の炉心には、少なくとも1つの炉心モジュール、固体中性子減速材４、および液体中性子減速材が含まれている。 The core of a nuclear reactor contains at least one core module, a solid neutron moderator 4, and a liquid neutron moderator.
炉心モジュールは、少なくとも1つのヒートパイプ、少なくとも1つの燃料要素、および断熱材５を含む。
The core module includes at least one heat pipe, at least one fuel element, and
炉心モジュールは、中性子を弱吸収する材料（low-capture material）、例えば、ジルコニウム合金のケーシング1の形で作られている。
実施の形態における一の特定の場合では、炉心モジュールのケーシング（モジュールケーシング）１内が真空にされる。また、別の特定の場合には、ケーシング1内は、低熱伝導率である不活性ガス、例えば、キセノンで満たされている。
The core module is made in the form of a low-capture material, for example, a zirconium alloy casing 1.
In one particular case of the embodiment, the inside of the casing (module casing) 1 of the core module is evacuated. Further, in another specific case, the casing 1 is filled with an inert gas having a low thermal conductivity, for example, xenon.
真空または不活性ガスは、炉心モジュールのケーシング1、ヒートパイプのケーシング（ヒートパイプケーシング）２、断熱材５の材料腐食に対する保護を提供する。
The vacuum or inert gas provides protection against material corrosion of the core module casing 1, the heat pipe casing (heat pipe casing) 2, and the
ヒートパイプは、ケーシング２内部に芯６を収納する形で作られており、高沸点で低融点金属である冷却材を含んでいる。
The heat pipe is formed so as to house the
実施の形態の特別な場合には、リチウム、カルシウム、鉛、および銀がヒートパイプの冷却材として使用される。 In the special case of embodiments, lithium, calcium, lead, and silver are used as cooling agents for heat pipes.
ヒートパイプのケーシング２と芯６は、モリブデンのような高融点材料でできている。ヒートパイプは、原子炉の炉心外の燃料要素で発生した熱を放出できるように設計されている。
The
燃料要素は、核燃料８からなり、核燃料８はヒートパイプのケーシング２の周囲であって、ヒートパイプの蒸発領域に、ヒートパイプのケーシング２と熱接触した状態で配さ、容器３で外側が囲まれる。
The fuel element is composed of a nuclear fuel 8, which is arranged around the
燃料要素の容器３は、モリブデンなどの高融点の耐火材料でできている。
The
核分裂性同位体含有量が２０％以下の酸化物、窒化物、炭化物の形態のウランまたはプルトニウム同位体は、核燃料８用の核分裂性物質として使用される。 Uranium or plutonium isotopes in the form of oxides, nitrides, carbides with a fissionable isotope content of 20% or less are used as fissile material for nuclear fuel 8.
燃料要素の目的は、核燃料８で発生する核反応による熱を得ることである。断熱材５は、炉心モジュールの内側で、炉心モジュールのケーシング1と燃料要素の容器３との間に配される。断熱材５は、例えば、モリブデンなどの高融点金属の箔で作られた多層熱シールドの形で作られている。
The purpose of the fuel element is to obtain heat from the nuclear reaction generated by the nuclear fuel 8. The
断熱材５の目的は、炉心モジュールのケーシング1から液体中性子減速材への熱漏れを防ぐことである。
The purpose of the
固体中性子減速材４は、円柱状または穴のある多面体の形のベリリウムなどの中性子減速材料でできている。全部の中性子減速材料は固体減速材４のシェル7に収納されている。固体中性子減速材４の穴に複数の炉心モジュールが配置されている。炉心モジュールと固体中性子減速材4との間は、中性子の液体減速材で満たされている。 The solid neutron moderator 4 is made of a neutron moderator such as beryllium in the form of a polyhedron with columns or holes. All neutron moderators are housed in the shell 7 of the solid moderator 4. A plurality of core modules are arranged in the holes of the solid neutron moderator 4. The space between the core module and the solid neutron moderator 4 is filled with a liquid neutron moderator.
特定のケースでは、液体中性子減速材として、水または、温度が少なくともマイナス４０℃に低下しても凍結しない液体、たとえば、アルコール溶液が、使用される。 In certain cases, as the liquid neutron moderator, water or a liquid that does not freeze when the temperature drops to at least −40 ° C., such as an alcohol solution, is used.
固体中性子減速材４と液体中性子減速材は、中性子の熱スペクトルを取得するように設計されている。 The solid neutron moderator 4 and the liquid neutron moderator are designed to acquire the thermal spectrum of neutrons.
さらに、液体中性子減速材は、固体中性子減速材4と炉心モジュールのケーシング1を冷却する冷却材として機能する。 Further, the liquid neutron moderator functions as a coolant for cooling the solid neutron moderator 4 and the casing 1 of the core module.
固体中性子減速材４のシェル7は、液体中性子減速材の腐食作用から固体中性子減速材を保護するように設計されている。 The shell 7 of the solid neutron moderator 4 is designed to protect the solid neutron moderator from the corrosive action of the liquid neutron moderator.
原子炉の炉心は次のように動作する。 The core of a nuclear reactor operates as follows.
燃料要素の核燃料８では、核分裂反応で熱が放出される。発生した熱は、ヒートパイプのケーシング２を介して、ヒートパイプの芯６を満たす冷却材に伝達される。冷却材は、芯６から蒸発し、冷却材の蒸気は、ヒートパイプのケーシング２の内部空間を満たし、その蒸気の熱は、原子炉の炉心の外側のエネルギー変換器に運ばれ、そこで凝縮し、芯6を介してヒートパイプの蒸発領域に戻る。
In the nuclear fuel 8 of the fuel element, heat is released by the fission reaction. The generated heat is transferred to the cooling material that fills the
蒸発する冷却材による熱伝達は、熱源とその消費部との間に温度降下がほとんどないため、原子炉の炉心の出口だけでなく、エネルギー変換器入口でも比較的に高い冷却材温度（１５００～１８００Ｋ）を得ることができる。これにより、原子力発電所の効率が向上し、そのような発電所の範囲が拡大する。 Since there is almost no temperature drop between the heat source and its consumption part in the heat transfer by the evaporating coolant, the coolant temperature (1500 ~) is relatively high not only at the outlet of the core of the reactor but also at the inlet of the energy converter. 1800K) can be obtained. This will improve the efficiency of nuclear power plants and expand the scope of such power plants.
固体中性子減速材４と液体中性子減速材は、低濃縮の核燃料８で熱中性子に核分裂反応の可能性を提供する。液体中性子減速材は、固体中性子減速材４の機能を補完し、固体中性子減速材４を冷却する冷却材としても機能する。 The solid neutron moderator 4 and the liquid neutron moderator provide the possibility of fission reaction to thermal neutrons with low enrichment nuclear fuel 8. The liquid neutron moderator complements the function of the solid neutron moderator 4 and also functions as a cooling material for cooling the solid neutron moderator 4.
断熱材５のため、モジュールのケーシング1からの熱漏れが最小限に抑えられ、液体中性子減速材の温度は低い。これにより、大気圧で水またはアルコールの水溶液を液体中性子減速材として使用できる。
Since the
原子炉の炉心の特定の実施例
固体中性子減速材４は、直径７６０ｍｍ、全高約７００ｍｍ、直径４０ｍｍの２１７個の穴を持ついくつかのベリリウムディスクで構成されている。ベリリウムディスクは、ジルコニウム合金E１１０製のシェル7で完全に囲まれている。
Specific Example of Reactor Core The solid neutron moderator 4 is composed of several beryllium discs with 217 holes diameter 760 mm, total height about 700 mm and diameter 40 mm. The beryllium disc is completely surrounded by a shell 7 made of zirconium alloy E110.
固体中性子減速材４の穴に炉心モジュールが配置されている。水は液体中性子減速材として使用される。モジュールを備えた固体中性子減速材４の穴は同心円状に配置され、モジュールの中心間の最小距離は４２ｍｍである。 The core module is arranged in the hole of the solid neutron moderator 4. Water is used as a liquid neutron moderator. The holes of the solid neutron moderator 4 provided with the module are arranged concentrically, and the minimum distance between the centers of the modules is 42 mm.
原子炉の炉心モジュールは、直径約３５ｍｍ、壁厚１．５ｍｍのジルコニウム合金E１１０製の円筒体１の形で作られている。モジュールケーシング1の内部にはヒートパイプがある。 The core module of a nuclear reactor is made in the form of a cylinder 1 made of a zirconium alloy E110 having a diameter of about 35 mm and a wall thickness of 1.5 mm. There is a heat pipe inside the module casing 1.
外径が約１４ｍｍのヒートパイプのケーシング２は、モリブデンでできている。ヒートパイプのケーシング２の内面には、約４０ミクロンの正方形メッシュサイズを有するモリブデングリッドの２層で作られたヒートパイプの芯６が取り付けられている。
The
ヒートパイプの芯６は、液体リチウムで満たされている。核燃料８とともにヒートパイプの蒸発領域は、燃料要素の容器３に囲まれている。燃料要素の容器３とモジュールケーシング1との間に、モリブデンの４層とジルコニウム箔の５層で作られた多層熱シールドの形態で作られている断熱材５が配置される。モジュールケーシング1内には、１０-1Ｐａ以下の残留ガス圧で真空が生成される。
The
外径２０ｍｍ、壁厚１ｍｍの燃料要素の容器３は、１９．７５％の濃縮度の二酸化ウランの核燃料８ペレットで満たされたモリブデンでできている。
The
燃料柱（fuel column）の高さは約５００ｍｍである。燃料ペレットと燃料要素の容器３の間に環状のギャップ（図示せず）が作成され、ガス状核分裂生成物を核燃料８の上にある空洞に排出させる。
The height of the fuel column is about 500 mm. An annular gap (not shown) is created between the fuel pellet and the
炉心内の燃料要素の総数は、モジュールの数に等しくなる。炉心の熱出力が１２００ｋＷの場合、1つの燃料要素の平均電力は約５．７ｋＷである。 The total number of fuel elements in the core is equal to the number of modules. When the heat output of the core is 1200 kW, the average power of one fuel element is about 5.7 kW.
燃料要素の外容器３の設計温度は１５２５Ｋである。Ｌｉ７は、ヒートパイプの冷却材として使用され、大気圧の水は液体減速材として使用される。
The design temperature of the
最も近い技術的な解決策と比較すると、本開示に係る原子炉の炉心の利点は、炉心出口の冷却材の温度を１２００Ｋから１５００Ｋ、およびそれ以上に上げることであり、これにより、原子力発電所の効率の向上されることである。さらに、特に熱光起電エネルギー変換を備えた原子炉の炉心の使用範囲を拡大することができる。 Compared to the closest technical solution, the core advantage of the reactor according to the present disclosure is to raise the temperature of the coolant at the core outlet from 1200K to 1500K and above, thereby a nuclear power plant. Is to improve the efficiency of. Furthermore, the range of use of the core of a nuclear reactor, which is particularly equipped with thermoelectromotive energy conversion, can be expanded.
１ モジュールのケーシング
２ ヒートパイプのケーシング
３ 燃料要素の容器
４ 固体中性子減速材
５ 断熱材
６ 芯
７ 固体中性子減速材の外側シェル
８ 核燃料
1
Claims (5)
１つのヒートパイプと少なくとも１つの燃料要素とを含むモジュールを少なくとも１つ備え、
前記ヒートパイプは、ヒートパイプケーシングと、芯と、冷却材とを含み、
前記燃料要素は、核燃料と容器とを含み、
前記炉心は、内部に前記少なくとも１つのモジュールが配置されるための少なくとも１つの穴を有する固体中性子減速材を炉心ケーシング内に配してなり、
前記ヒートパイプがモジュールケーシング内に配され、
燃料要素がヒートパイプの蒸発領域の周囲に、ヒートパイプケーシングと熱接触するような状態で配置されて、容器内に収納されており、
前記モジュールケーシングと前記固体中性子減速材との間の隙間は、液体中性子減速材で満たされている
ことを特徴とする原子炉の炉心。 The core of a nuclear reactor
With at least one module containing one heat pipe and at least one fuel element,
The heat pipe includes a heat pipe casing, a core, and a coolant.
The fuel element includes nuclear fuel and a container.
The core comprises a solid neutron moderator having at least one hole for arranging the at least one module inside the core casing.
The heat pipe is arranged in the module casing and
The fuel element is placed around the evaporation area of the heat pipe so that it is in thermal contact with the heat pipe casing and is housed in the container.
The core of a nuclear reactor, characterized in that the gap between the module casing and the solid neutron moderator is filled with a liquid neutron moderator.
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